Initiation der Translation Vergleich Pro- und Eukaryoten

(1)

Max Planck Institute for Medical Research

Department of Cellular Biophysics

&

University of Heidelberg

Department of Biophysical Chemistry

Kerstin Göpfrich @KGoepfrich

Max Planck Forschungsgruppe „Biophysical Engineering“

MPI für medizinische Forschung, Heidelberg

Initiation der Translation

Vergleich Pro- und Eukaryoten

Genetik, 2. Fachsemester

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Das bin ich.

Regensburg, Sommer 1991?

Erlangen, BSc Regensburg Cambridge, MPhil & PhD

Jetzt: Heidelberg

Stuttgart, Postdoc

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Genexpression: Von der Information zur Funktion

Aus meinem Schulheft, Bio-LK, 2008

DNA RNA Pro tei n

Transcription

Translation

1. Initiation

2. Elongation

3. Termination

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Plan für heute

Unterschiedlicher Ausgangspunkt:

http://goepfrichgroup.de/genetik-2-semester/

Folien, Handout, Literatur & Video:

mRNA von Pro- und Eukaryoten

Schritte der Initiation:

• Bei Prokaryoten

• Bei Eukaryoten

Übung:

Design eines mRNA Impfstoffs: Translation in Eukaryoten

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Unterschiede in der mRNA von Pro- und Eukaryoten

Prokaryoten

Eukaryoten

5’ 5’UTR

UTR = Untranslated region

AUG……….UGA

Shine-Dalgarno-Sequenz

3’UTR AUG……….UGA AUG………UGA 3’

Polycistronische mRNA = 1 mRNA für mehrere Proteine

Start Stop

- Transkription und Translation im Zytoplasma

- Transkription im Nukleus, Translation im Zytoplasma → stabilere mRNA

5’UTR AUG………...UGA 3’UTR

5’ G 3’

m⁷ G-Cap

AAAAAAAAAAAA…..AAAAAAAAAAA

PolyA-Tail

→ Unterschiedliche Bindungsstelle für kleine

Untereinheit des Ribosoms

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Plan für heute

• Bei Prokaryoten

• Bei Eukaryoten

Übung:

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Ziel der Initiation

Prokaryoten Eukaryoten

Ribosomenbindestelle: Shine-Dalgarno- Sequenz

70S Ribosom

3 Initiationsfaktoren (IFs)

Ribosomenbindestelle: 5’ m⁷ G-cap (bei Cap-abhäniger Translation)

12 Initiationsfaktoren (eIFs)

Ziel:

Initiationskomplex

50S

30S

80S Ribosom 60S

40S Initiator tRNA mit formyliertem

Methionin (tRNA_i^fMet) Initiator tRNA mit Methionin

(tRNA_i^Met)

tRNA

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Initiation bei Prokaryoten

IF3 & IF1 binden an 30S Einheit

IF1-IF3-30S Komplex bindet an mRNA (Shine-Dalgarno-Sequenz)

GTP-IF2 rekrutiert tRNA_i^fMetzur P- Stelle der 30S Einheit

GTP Hydrolyse

Streptomycin Verhindert verfrühte Bindung

von 50S Untereinheit und tRNA Positionierung nahe Startcodon

Start des Polypeptids

Initiationsfaktoren dissoziieren und geben 30S frei

50S Einheit kann binden Initiationskomplex fertig

Ablauf Funktion

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Initiation bei Eukaryoten – Cap-abhängige Translation

eIF3, eIF1A, eIF1 binden 40S eIF2-GTP rekrutiert tRNA_i^Met zur P-Stelle; eIF5B-GTP bindet

eIF = euk. Initiationsfaktor

1) Assemblierung Präinitiationskomplex (PIC)

43S Präinitiationskomplex, der mRNA binden kann Vorbereitung auf tRNA- Bindung

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Initiation bei Eukaryoten – Cap-abhängige Translation

eIF4E bindet an Cap, eIF4G rekrutiert polyA-Tail mit Hilfe von PolyA-Bindungsprotein (PABP)

1) Assemblierung Präinitiationskomplex (PIC)

2) Vorbereitung der mRNA

43S Präinitiationskomplex, der mRNA binden kann

Verhindert mRNA Degradierung

Vorbereitung auf tRNA- Bindung

eIF4A löst Sekundärstruktur Ermöglicht Scanning

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Initiation bei Eukaryoten – Cap-abhängige Translation

eIF4E bindet an Cap, eIF4G rekrutiert polyA-Tail mit Hilfe von PolyA-Bindungsprotein (PABP)

43S bindet an Cap

Scanning der mRNA, GTP Hydrolyse am Startcodon AUG

60S bindet

eIF = euk. Initiationsfaktor

1) Assemblierung Präinitiationskomplex (PIC)

2) Vorbereitung der mRNA

3) Assemblierung Initiationskomplex

43S Präinitiationskomplex, der mRNA binden kann

Verhindert mRNA Degradierung

Vorbereitung auf tRNA- Bindung

eIF4A löst Sekundärstruktur Ermöglicht Scanning

Initiationsfaktoren dissoziieren und geben 40S frei

Initiationskomplex fertig

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Elektronenmikroskopie

Welches Elektronenmikroskopie- Bild gehört zur Translation bei Prokaryoten?

1) Nur A 2) Nur B 3) Beide

3’

5’

Protein Ribosom

mRNA A

DNA

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Plan für heute

• Bei Prokaryoten

• Bei Eukaryoten

Übung:

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Übung

Ein neuartiges Virus hält die Welt in Atem.

Ein Medikament gibt es nicht, für die

Entwicklung eines Vektorimpfstoffes bleibt kaum Zeit. Ein mRNA Vakzin könnte die Rettung sein!

Du hast gerade eine Vorlesung zur Initiation der Translation gehört. Die Blicke der Welt

sind auf DICH gerichtet. Wie muss die mRNA

aufgebaut sein?

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mRNA-Impfstoff: Translation in Eukaryoten

1) Translation d. Spike Proteins von Eukaryoten

Quelle: World Health Organization

Der “Source Code” der BioNtec Impfung Kriterien:

5’ cap Ψ: Uracil ersetzt durch 1-methyl-3'-pseudouridylyl

Developed by Drew Weissman & Katalin Karikó

5’ UTR 2) mRNA stabil & nicht immunogen

…..

polyA-Tail

Spike-Protein

3’ UTR 3) Optimale (schnelle!) Translation

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mRNA-Impfstoff: Translation in Eukaryoten

1) Translation d. Spike Proteins von Eukaryoten

Kriterien:

2) mRNA stabil & nicht immunogen 3) Optimale (schnelle!) Translation

Virus: AUG UUU GUU UUU CUU GUU UUA UUG CCA CUA GUC UCU AGU CAG UGU GUU Vaccine: AUG UUC GUG UUC CUG GUG CUG CUG CCU CUG GUG UCC AGC CAG UGU GUG

Vaccine with CCU: Vaccine with CCA: Vaccine with CCG:

Codon-Optimierung (U/A → C/G)

Sekundärstrukturen der mRNA berechnet mit RNAfold (http://rna.tbi.univie.ac.at):

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Zusammenfassung

http://goepfrichgroup.de/genetik-2-semester/

Folien, Handout, Literatur:

• Bei Prokaryoten

• Bei Eukaryoten

Übung:

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Literatur

• Alberts, Molecular Biology of the Cell

Design der SarsCov2 mRNA Impfung

• WHO non-proprietary names programme Nr. 11889 https://berthub.eu/articles/11889.doc

• Reverse Engineering the source code of the BioNTech/Pfizer SARS-CoV-2 Vaccine,

https://berthub.eu/articles/posts/reverse-engineering-source-code-of-the-biontech-pfizer-vaccine/

Bücher

Review-Artikel

Videos

• Aitken & Lorsch (2012) A mechnanistik overview of translation initiation in eukaryotes. Nature Structural

& Molecular Biology 19(6).

• https://www.youtube.com/watch?v=ch86Ny2ghhI